KR100745295B1

KR100745295B1 - 레이저 용접 장치, 레이저 용접 기기 및 레이저 용접 방법

Info

Publication number: KR100745295B1
Application number: KR1020060010944A
Authority: KR
Inventors: 히또시 가와이; 유지 하마구찌; 다쯔야 사꾸라이
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤; 쇼와 옵트로닉스 가부시키가이샤
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2026-02-06
Also published as: KR20060090587A; CN1817547A; US20070193984A1; EP1688209A3; CN100579706C; JP4988160B2; JP2006218487A; EP1688209A2; US8796582B2

Abstract

본 발명의 과제는 레이저의 포커싱 점에서의 스폿 지름을 초점 거리에 의존하지 않고 변경할 수 있는 레이저 용접 장치를 제공하는 것이다.

레이저를 수렴시켜 포커싱 점에 포커싱시키는 제1 렌즈(31)와, 제1 렌즈(31)로 입사하는 레이저를 확산시키는 제2 렌즈(32)와, 레이저 발신기로부터 유도된 레이저의 확산을 방지하여 제2 렌즈(32)로 유도하는 제3 렌즈를 갖고, 제1 내지 제3 렌즈(31 내지 33) 상호 간의 거리를 변경함으로써, 제1 렌즈로 입사되는 레이저의 확산 각도 및 광속 폭을 변경함으로써, 초점 거리를 변경하는 동시에 초점 거리에 의존하지 않고 포커싱 점에서의 스폿 지름을 변경한다.

로봇, 암, 레이저 가공 헤드, 광섬유 케이블, 렌즈, 레이저 제어기, 로봇 제어 장치

Description

레이저 용접 장치, 레이저 용접 기기 및 레이저 용접 방법{LASER WELDING APPARATUS, MACHINE AND METHOD}

도1은 본 발명을 적용한 레이저 용접 장치를 설명하기 위한 개략 설명도.

도2는 포커싱 점에서의 스폿 지름을 임의로 조정하기 위한 동작 원리를 설명하는 설명도.

도3은 본 발명을 적용하는 레이저 용접 시스템을 설명하기 위한 개략 사시도.

도4는 레이저 가공 헤드를 설명하기 위한 개략 투시도.

도5는 로봇에 대한 레이저 가공 헤드의 부착 사례를 나타내는 도면.

도6은 로봇에 대한 레이저 가공 헤드의 부착 사례를 나타내는 도면.

도7은 상기 레이저 용접 시스템의 제어계의 구성을 설명하기 위한 블록도.

도8은 레이저 가공 헤드와 레이저 사출 방향의 움직임을 설명하기 위한 설명도.

도9는 레이저 용접에서의 제어 순서를 나타내는 흐름도.

도10은 종래 법에 의한 레이저 용접의 동작을 설명하기 위한 설명도.

도11은 실시 형태에 의한 용접 동작과 종래 법에 의한 용접 동작으로 전 용접 공정에 걸리는 시간을 비교하여 설명하기 위한 설명도.

도12는 볼록 렌즈에서의 굴절과 포커싱 거리를 설명하기 위한 설명도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 로봇

2 : 암

3 : 레이저 가공 헤드

5 : 레이저 발진기

6 : 광섬유 케이블

11 : 반사경

12 : 렌즈군

31 : 제1 렌즈

32 : 제2 렌즈

33 : 제3 렌즈

35 : 경통

36 : 돌기

41 내지 43 : 홈

45 : 모터

46 : 롤러

51 : 레이저 제어기

52 : 로봇 제어 장치

53 : 가공 헤드 제어 장치

[문헌 1] 일본 특허 제3229834호

[문헌 2] 일본 특허 공개 제2004-050246호 공보

[비문헌 1]「파이버 엘리펀트(FIBER ELEPHANT)」, [online], 2003년 6월 번호 0002243-01, 아르게아스 게엠베하(ARGEAS GmbH), [2005년 1월 31일 검색], 인터넷 <URL : http ://www.arges.de/downloads/fiberelephantnq.pdf>

본 발명은 레이저 용접 장치, 레이저 용접 시스템 및 레이저 용접 방법에 관한 것이다.

최근, 로봇을 이용한 용접에도 레이저 용접이 이용되어 왔다. 종래, 이와 같은 용접 기술로서 로봇 암 선단부에 부착한 레이저 용접 장치는 용접 점으로부터 떨어져 정지시킨 다음, 레이저 용접 장치 내부의 반사경을 회전시킴으로써 레이저를 분배하여 복수의 용접 점을 용접하는 기술이 있다(특허 문헌 1 참조).

그런데 이와 같은 레이저 용접에서는 레이저 용접 장치로부터 복수의 용접 점까지 거리가 다르기 때문에, 레이저 용접 장치 내부에서 용접 점인 레이저 조사 위치 사이에서의 거리, 즉 초점 거리를 조정할 수 있도록 하고 있다(비특허 문헌 1 참조).

이러한 복합 렌즈를 이용한 레이저 용접 장치에서는 초점 거리의 조정은 가 능하지만, 포커싱 위치에서의 레이저 스폿이 초점 거리에 의해 변화되어 버리므로, 초점 거리에 의해 집광되는 에너지량에 차이가 생겨 용접 위치마다 미묘하게 조사 시간을 바꾸는 등의 대책이 필요해진다.

한편, 초점 거리의 변경에 의한 스폿 지름의 차이를 완화하기 위해, 초점 거리가 변화되어도 스폿 지름을 거의 일정하게 유지하는 기술이 있다(특허 문헌 2 참조).

이 기술에 따르면, 포커싱 점으로부터 벗어난 위치의 스폿 지름을 레이저 조사 점 위치가 되도록 조사 거리를 조정함으로써, 레이저가 닿고 있는 부분의 스폿 지름이 초점 거리를 바꾸어도 동일해지도록 하고 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 제3229834호

[특허 문헌 2] 일본 특허 공개 제2004-050246호 공보

[비특허 문헌 1] [파이버 엘리펀트(FIBER ELEPHANT)], [online], 2003년 6월 번호 0002243-01, 아르게아스 게엠베하(ARGEAS GmbH), [2005년 1월 31일 검색], 인터넷 <URL : http ://www.arges.de/downloads/fiberelephantnq.pdf>

그러나 종래의 레이저가 닿은 부분의 스폿 지름이 초점 거리를 바꾸어도 동일해지도록 하는 기술에서는, 포커싱 점으로부터 벗어난 위치를 이용하고 있으므로, 가장 레이저의 에너지를 높일 수 있는 포커싱 점을 이용할 수 없어 에너지 손실을 발생한다고 하는 문제가 있다.

그래서 본 발명의 목적은 레이저를 가장 효율적으로 이용할 수 있는 포커싱 점에서의 스폿 지름을, 초점 거리에 의존하지 않고 변경할 수 있는 레이저 용접 장치를 제공하는 것이다. 또한, 이 레이저 용접 장치를 이용한 레이저 용접 시스템을 제공하는 것이다. 또한, 이 레이저 용접 장치를 이용한 레이저 용접 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 레이저 발신기로부터 유도된 레이저를 임의의 초점 거리로 조정하고, 더욱이 포커싱 점에서의 스폿 지름이 임의의 크기가 되도록 조정하는 광학 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치이다.

특히, 이 레이저 용접 장치에 있어서는 상기 광학 수단은 레이저를 수렴시켜 상기 포커싱 점에 포커싱시키는 제1 렌즈와, 상기 제1 렌즈에 입사하는 레이저를 확산시키는 제2 렌즈와, 상기 레이저 발신기로부터 유도된 레이저의 확산을 방지하여 상기 제2 렌즈로 유도하는 제3 렌즈를 갖고, 상기 제1 내지 제3 렌즈의 상호 간의 거리를 변경함으로써, 제1 렌즈에 입사되는 레이저의 확산 각도 및 광속 폭을 변경하는 렌즈 위치 변경 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 로봇에 부착된 레이저 용접 장치와, 상기 레이저 용접 장치가 소정 방향으로 소정 속도로 이동하도록 상기 로봇의 자세를 제어하고, 또한 제1 용접 점의 용접 중에는 상기 제1 용접 점 방향으로 상기 레이저가 사출되도록 상기 레이저 용접 장치 내의 상기 레이저 사출 수단을 제어하는 동시에 상기 초점 거리를 변화시키면서 포커싱 점인 용접 점에서의 스폿 지름이 항상 대략 동일한 크기가 되도록 상기 레이저 용접 장치 내의 상기 광학 수 단을 제어하고, 상기 제1 용접 점의 용접 종료 후에는 제2 용접 점 방향으로 상기 레이저가 사출되도록 상기 레이저 사출 수단을 제어하는 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 시스템이다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 로봇에 부착된 상기 레이저 용접 장치가 소정 방향으로 소정 속도로 이동하도록 상기 로봇의 자세를 제어하고, 또한 제1 용접 점의 용접 중에는 상기 제1 용접 점 방향으로 상기 레이저가 사출되도록 상기 레이저 용접 장치 내의 상기 레이저 사출 수단을 제어하는 동시에 상기 초점 거리를 변화시키면서 포커싱 점인 용접 점에서의 스폿 지름이 항상 대략 동일한 크기가 되도록 상기 레이저 용접 장치 내의 상기 광학 수단을 제어하고, 상기 제1 용접 점의 용접 종료 후에는 제2 용접 점 방향으로 상기 레이저가 사출되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 가장 양호한 형태를 설명한다.

도1은 본 발명을 적용한 레이저 용접 장치를 설명하기 위한 개략 사시도이다.

도1에 도시한 레이저 용접 장치는 후술하는 바와 같이 로봇 암의 선단부에 부착하는 것을 상정한 일실시 형태이다. 이를 위해, 이 레이저 용접 장치를 레이저 가공 헤드라 칭한다.

이 레이저 가공 헤드(3)는 레이저를 임의의 초점 거리에서 포커싱시키고, 또한 포커싱 점에서의 스폿 지름을 임의로 조정할 수 있는 광학 수단인 렌즈군(12)과, 이 렌즈군(12)을 통과시킨 레이저를 소정 범위에 있어서 임의로 조사 방향을 변경하는 레이저 사출 수단인 반사경(11)을 구비하고 있다. 또한, 이들의 부재는 케이스(30)에 수납되어 있으며, 케이스(30)에는 레이저 발진기로부터 이 레이저 가공 헤드(3)까지 레이저를 유도하는 광섬유 케이블(6)이 접속되어 렌즈군(12)으로 레이저가 유도되고 있다.

렌즈군(12)은 레이저를 포커싱시키는 제1 렌즈(31)와, 제1 렌즈(31)로 입사되는 레이저를 확산시키는 제2 렌즈(32)와, 레이저 발신기로부터 광섬유 케이블에 의해 유도된 레이저의 확산을 방지하여 제2 렌즈(32)로 유도하는 제3 렌즈(33)를 갖는다.

이들 제1 내지 제3 렌즈(31 내지 34)는 각 렌즈(31 내지 33) 상호 간의 거리를 변경하기 위한 렌즈 위치 변경 수단이 되는 경통(鏡筒)(35)에 의해 지지가 되어 있다. 경통(35)의 내벽에는 각 렌즈(31 내지 33)에 설치된 돌기(36)와 결합하는 나선형의 홈(41 내지 43)이 파여 있다. 이 홈(41 내지 43)은 각각 렌즈(31 내지 33)에 대응하고 있으며, 경통(35)이 회전함으로써 각 렌즈(31 내지 33)가 각각의 홈(41 내지 43)을 따라서 경통 내를 전후한다. 그리고 이 홈(41 내지 43)의 형성 위치에 의해 각 렌즈(31 내지 33) 상호 간의 거리가 변화되어, 초점 거리와 포커싱 점에서의 스폿 지름을 동시에 임의로 조정할 수 있도록 하고 있다. 본 실시 형태에서는 포커싱 점 위치를 약 500 ㎜ 변경할 수 있도록 초점 거리를 변경 가능하게 하고, 또한 이 초점 거리가 변화되는 동안에는 포커싱 점에서의 스폿 지름이 대략 동일한 크기가 되도록, 각 렌즈(31 내지 33)의 위치가 전후하도록 각 홈(41 내지 43)을 형성하고 있다.

여기서 포커싱 점에서의 스폿 지름이 대략 동일한 크기라 하는 것은 기계 정밀도나 렌즈의 광학적인 정밀도로부터 완전히 동일하게 할 수 없기 때문이지만, 레이저 용접의 정밀도 등을 고려한 경우는, 5 % 미만으로 억제하도록 하는 것이 바람직하다. 이것은 레이저 용접 시의 용접 부재의 재질이나 두께, 매수, 에너지량에 따라 다르지만, 스폿 지름의 변화를 5 % 미만으로 억제함으로써 초점 거리가 다른 위치를 용접한 경우라도, 그 밖의 용접 조건을 변경하지 않고 용접을 계속할 수 있기 때문이다. 또, 본 실시 형태에 있어서는 포커싱 점 위치를 약 500 ㎜ 변경하는 범위 내에서 스폿 지름의 변화가 5 % 미만이 되도록 하고 있다.

케이스(30) 내에는 경통(35)을 회전시키기 위한 모터(45)와 롤러(46)가 설치되어 있다. 롤러(46)는 경통(35)의 외측에 접촉하고 있으며, 모터의 동작에 의해 회전한다. 경통(35)은 이 롤러(46)의 회전에 의해 회전한다. 그리고 경통(35)의 회전에 의해 각 렌즈의 위치가 변화된다. 또, 경통 내부에는 각 렌즈(31 내지 33)가 전후 방향으로는 자유로이 움직이지만, 회전 방향으로는 움직이지 않도록 규제하는 회전 방지 부재(47)가 경통(35)과 함께 움직이지 않도록 설치되어 있다.

여기서 3개의 렌즈의 상호 간 거리의 변화에 의해, 초점 거리가 변화되어도 초점 거리에 의존하는 일 없이 포커싱 점에서의 스폿 지름을 임의로 조정하기 위한 동작 원리에 대해 설명한다.

도2는 포커싱 점에서의 스폿 지름을 임의로 조정하기 위한 동작 원리를 설명하는 설명도이다.

제1 렌즈(31)는 포커싱 점에 있어서 레이저가 수렴되어 초점을 잇기 위한 렌즈이다. 따라서, 기본 형상이 볼록 렌즈이다. 이러한 볼록 렌즈에서는 입사된 레이저의 확산 각도에 따라서 초점 거리가 변화된다. 여기서 레이저의 확산 각도는 후술하는 제2 렌즈(32)에 의해 확산된 레이저가 입사되므로, 도면 중 F'로 나타내는 가상 초점 위치로부터 레이저의 광속이 넓어지는 각도(θ)로 나타낸다.

그리고 제1 렌즈(31)를 통과한 레이저는 확산 각도(θ)가 작을수록, 즉 평행광에 가까울수록 초점 거리(f)는 짧아지고, 반대로 확산 각도(θ)가 커 평행광보다도 급각도로 제1 렌즈(31)로 들어오는 레이저 쪽이 초점 거리(f)는 길어진다. 이것은, 즉 볼록 렌즈(31a)의 굴절률은 입사된 레이저에 대해 변화되는 일은 없으므로, 도12에 도시한 바와 같이 확산 각도 θ1 < θ2의 경우, 볼록 렌즈(31a)를 통과한 레이저는 확산 각도 θ2의 쪽이 θ1보다 크기 때문에, 확산 각도 θ2에 의한 레이저가 훨씬 멀게 포커싱하는 것이다. 또, 도12 중, θ1의 레이저에 의한 포커싱 점을 G1, θ2의 레이저에 의한 포커싱 점을 G2라 하고 있다.

한편, 통상 볼록 렌즈는 빛을 가장 조여서 작게 한 점인 포커싱 점이 렌즈의 회절 한계에 의해 일정한 크기가 된다. 이것은 포커싱 점에서의 스폿 지름을 d, 레이저의 파장을 λ, 레이저의 광속 폭을 D라 하면, 스폿 지름 d는 식(1)로 나타내어진다.

d = (4/π) × (λ × f/D ) … (1)

이 식(1)에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 렌즈(31)에 입사된 레이저의 광속 폭(D)이 동일한 경우, 초점 거리(f)를 변경하면 포커싱 점에서의 스폿 지름(d)은 변화해 버린다. 그러나 초점 거리(f)를 바꾸는 동시에 광속 폭(D)도 변경하면, 포커싱 점에서의 스폿 지름(d)은 초점 거리에 의존하지 않고 자유롭게 변경할 수 있게 된다. 즉, 볼록 렌즈는 들어오는 레이저의 광속 폭(D)을 바꾸면, 그에 따라서 포커싱 점에서의 스폿 지름이 변화된다.

따라서, 이들 2개의 특성, 즉 제1 렌즈(31)로 들어오는 레이저의 확산 각도(θ)와 광속 폭(D)을 모두 조정함으로써 초점 거리를 자유롭게 변경하는 동시에 초점 거리(f)에 의존하지 않고 포커싱 점의 스폿 지름(d)도 자유롭게 조정할 수 있게 된다.

이로 인해, 제1 렌즈로 입사하는 레이저의 확산 각도(θ)와 광속 폭(D)을 조정하기 위해 제2 렌즈(32)와 제3 렌즈(33)를 설치하고 있다.

제2 렌즈(32)는 입사된 레이저를 확산하는 오목 렌즈이다. 오목 렌즈는 그 특성상, 입사된 레이저가 확산하여 방출된다. 따라서, 이 제2 렌즈(32)와 제1 렌즈(31) 사이의 거리를 변경함으로써 제1 렌즈(31)로 입사시키는 레이저의 광속 폭(D)을 변화시킬 수 있다.

한편, 확산 각도(θ)는 가상 초점(F')의 위치를 변경함으로써 변화시킬 수 있다. 이것을 변경하기 위해서는 제3 렌즈(33)와 제2 렌즈 사이의 거리를 조정한다.

제3 렌즈(33)는 광섬유 케이블(6)에 의해 유도된 레이저의 확산을 방지하여, 제2 렌즈(32)로 레이저를 집광시키고 있다. 따라서, 제3 렌즈(33)와 제2 렌즈(32) 사이의 거리를 바꾸는 동시에, 제3 렌즈(33)의 위치도 바꿈으로써 제3 렌즈(33)에 의해 수렴되는 초점 위치도 바뀌게 되므로, 결과적으로 제2 렌즈(32)의 가상 초점(F')이 변화하게 된다.

또, 통상 광섬유 케이블(6)에 의해 유도되어 그 선단부로부터 방출된 레이저는 확산광으로서 방출되므로 그 상태에서 제2 렌즈(32)로 입사하면, 확산 정도가 지나치게 많아지고, 또한 그 상태에서는 제2 렌즈(32)로 입사되는 레이저의 가상 초점(F')을 변경할 수 없으므로 제3 렌즈(33)를 설치하고 있다.

여기서, 도2를 참조하여 더욱 구체적인 렌즈의 움직임을 설명한다. 여기에서는 초점 거리를 변화시킴으로써 포커싱 점 위치를 약 500 ㎜ 변경하는 경우를 나타내고 있다.

도2의 (a)는 가장 초점 거리(f)가 짧아지는 위치로 한 경우이며, 도2의 (b)는 도2의 (a)보다 초점 거리를 f1까지 길게 하고, 또한 도2의 (a)의 경우와 포커싱 점에서의 스폿 지름(d)을 동일하게 하는 경우를 나타내고 있다.

이 도2의 (b)의 경우, 제1 렌즈(31)로 들어오는 레이저의 확산 각도(θ)를 도2의 (a)의 경우보다 크게 함으로써 초점 거리를 늘리고 있다. 한편, 제1 렌즈(31)로 들어오는 레이저의 광속 폭(D)을 크게 함으로써 상기 식(1)로부터 초점 거리를 늘리는 것에 수반하여 포커싱 점에서의 스폿 지름의 확대를 억제하여, 도2의 (a)의 경우와 동일한 크기가 되도록 하고 있다. 이로 인해, 제1 렌즈(31)와 제2 렌즈(32)의 간격, 및 제2 렌즈(32)와 제3 렌즈(33)의 간격을 각각 개방하고, 또한 제3 렌즈(33)의 위치도 광섬유 케이블(6)의 레이저 방사점으로부터 떨어지도록 하고 있다.

도2의 (c)는 초점 거리를 f2까지 더 길게 하고, 또한 도2의 (a)의 경우와 포커싱 점에서의 스폿 지름(d)을 동일하게 하는 경우를 나타내고 있다.

이 도2의 (c)의 경우도 마찬가지로, 제1 렌즈(31)로 들어오는 레이저의 확산 각도(θ)를 도2의 (b)의 경우보다 크게 함으로써 초점 거리를 늘리고, 제1 렌즈(31)로 들어오는 레이저의 광속 폭(D)을 크게 함으로써 스폿 지름의 확대를 억제하여 포커싱 점에서의 스폿 지름(d)을 도2의 (a) 및 도2의 (b)의 경우와 동일한 크기가 되도록 하고 있다. 이로 인해, 제1 렌즈(31)와 제2 렌즈(32)의 간격, 및 제2 렌즈(32)와 제3 렌즈(33)의 간격을 한층 개방하고, 또한 제3 렌즈(33)의 위치도 광섬유 케이블(6)의 레이저 방사점으로부터 더욱 멀어지도록 하고 있다.

또, 레이저를 조사한 경우의 스폿 지름은 도2의 (a)를 참조하여 설명하면, 포커싱 점(P)에서 가장 작아지고, 그것으로부터 벗어나는 P₁이나 P₂에서는 포커싱 점에서의 스폿 지름(d)보다 커진다. 따라서, 포커싱 점(P)에서의 스폿 지름(d)이 가장 레이저의 빔이 수렴된 위치이며, 레이저의 에너지를 그 부분이 가장 집중시킬 수 있는 것이다.

이와 같이 본 실시 형태에서의 레이저 용접 장치에 따르면, 초점 거리가 변화된 경우라도 포커싱 점에서의 스폿 지름을 임의로 제어하는 것이 가능해진다. 특히, 초점 거리가 변화되어도 이 초점 점에서의 스폿 지름을 항상 동일한 크기로 함으로써, 레이저의 에너지를 최대한 이용할 수 있고, 게다가 초점 거리가 변화되어도 용접 시간의 조정을 행할 필요가 없어지므로, 효율적으로 레이저 용접을 행할 수 있게 된다.

다음에, 이 레이저 용접 장치를 레이저 가공 헤드로서 이용한 레이저 용접 시스템에 대해 설명한다.

도3은 본 발명을 적용한 레이저 용접 시스템을 설명하기 위한 개략 사시도, 도4는 레이저 가공 헤드를 설명하기 위한 개략 투시도이다.

이 레이저 용접 시스템을 이용한 용접은 지금까지의 스폿 용접 등과 비교하여 용접 지그가 직접 워크와 접촉하지 않고, 레이저를 이용하여 워크로부터 떨어진 장소로부터 용접하는 것이다. 이로 인해 이와 같은 용접을 리모트 용접이라 칭하고 있다.

도3에 도시한 레이저 용접 시스템은 로봇(1)과, 이 로봇(1)의 암(2)의 선단부에 설치되고, 레이저(100)를 사출하는 레이저 가공 헤드(3)와, 레이저 광원인 레이저 발진기(5)와, 레이저 발진기(5)로부터 레이저 가공 헤드(3)까지 레이저를 유도하는 광섬유 케이블(6)로 이루어진다.

로봇(1)은 일반적인 다축(多軸) 로봇(다관절 로봇 등으로도 불리고 있음) 등이며, 교시 작업에 의해 부여된 동작 경로의 데이터를 따라, 그 자세를 바꾸어 암(2)의 선단부, 즉 레이저 가공 헤드(3)를 이동시킨다.

레이저 가공 헤드(3)는 상술한 본 발명에 의한 레이저 용접 장치이다. 이 시스템에서는, 도4에 도시한 바와 같이 광섬유 케이블(6)에 의해 유도된 레이저(100)를, 최종적으로 목적물 방향으로 사출하는 레이저 사출 수단이 되는 반사경(11)과 레이저(100)의 초점 위치를 변경하는 렌즈군(12)으로 이루어진다. 또, 도4 에 있어서는 레이저 가공 헤드(3)는 이미 레이저 용접 장치로서 설명하였으므로, 여기서는 레이저 가공 헤드의 구성 부재 중 주요한 부재만을 나타내고, 레이저 가공 헤드 내의 상세한 설명은 생략한다.

레이저 가공 헤드(3) 내의 반사경(1)은 경면(鏡面)을 통과하는 수직인 선을 Z축으로 하고, 이 Z축과 직행하는 X축 및 Y축에 있어서 각각 독립적으로 회전 가능하여, 회전함으로써 레이저(100)의 사출 방향을 자유롭게 분배할 수 있다. 이로 인해, 도시하지 않았지만 레이저 가공 헤드(3) 내에는 반사경(11)을 회전시키기 위한 모터 및 기어 기구를 갖는다. 모터는 후술하는 가공 헤드 제어 장치에 의해 그 움직임이 제어된다. 마찬가지로, 렌즈군(12)에 의한 초점 위치 변경을 위한 모터도 갖고, 이것도 가공 헤드 제어 장치에 의해 제어된다.

레이저 발진기(5)는 YAG 레이저 발진기이다. 여기에서는, 레이저를 광섬유 케이블(6)에 의해 유도하기 위해 YAG 레이저를 이용하고 있다.

도5 및 도6은 로봇(1)에 대한 레이저 가공 헤드(3)의 부착 사례를 나타내는 도면이다.

로봇 암에의 레이저 가공 헤드(3)의 부착은, 가령 도5에 도시한 바와 같이 레이저 가공 헤드(3)를 로봇 암 선단부의 손목 부분(21)에 약간 옮겨 부착하고, 광섬유 케이블(6)을 직접 레이저 가공 헤드에 통과시키는 형태와, 또한 가령 도6에 도시한 바와 같이 레이저 가공 헤드(3)의 일부를 로봇 암 선단부의 손목 부분(21) 내에 매립하고 로봇(1)의 암(2) 내에 광섬유 케이블(6)을 통과시키는 형태 등이 있다. 특히, 도6에 도시한 형태에서는 레이저 가공 헤드(3)의 형상을 콤팩트하게 할 수 있으므로, 복잡하면서도 또한 좁은 공간이라도 레이저 가공 헤드(3)를 넣을 수 있어 레이저 용접에 의해 행할 수 있는 부분이 많아진다. 또한, 본 형태에서는 암(2) 내에 광섬유 케이블(6)을 통과시키는 것으로 하고 있으므로, 암 부분 주위도 포함하여 한층 콤팩트하게 되어 있다. 이와 같이 콤팩트한 형태로 함으로써, 특히 자동차 차체의 용접 공정 등에 있어서 레이저 용접에 의해 행할 수 있는 용접 부위가 늘어나, 좁은 장소 등에서의 수타 공정을 줄이는 것이 가능해져, 그것만으로도 작업 효율을 향상시킬 수 있다.

이와 같은 부착 형태는 로봇(1)의 형상이나 형식, 레이저 가공 헤드의 형상 등에 맞추어 적절하게 선택하게 되지만, 본 발명은 어떠한 경우라도 또한 여기에 나타낸 사례 이외라도 적용 가능하다.

도7은 이 레이저 용접 시스템의 제어계의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

제어계는 레이저 발진기(5)에서의 레이저 출력의 온, 오프 등을 제어하는 레이저 제어기(51)와, 로봇(1)의 움직임을 제어하는 로봇 제어 장치(52)와, 레이저 가공 헤드(3)에서의 반사경(11), 및 렌즈군(12)을 움직이는[즉 경통(35)을 회전시키는] 모터(45)를 제어하는 가공 헤드 제어 장치(53)로 이루어진다.

레이저 제어기(51)는 레이저 출력의 온, 오프와, 레이저의 출력 강도 조정 등을 행하고 있다. 이 레이저 제어기(51)는 로봇 제어 장치(52)로부터의 제어 신호에 의해 레이저 출력의 온, 오프를 행하고 있다.

로봇 제어 장치(52)는, 본 실시 형태에 있어서는 후술하는 로봇(1)의 움직임과 함께 반사경(11) 및 렌즈군(12)의 동작 및 레이저 출력의 온, 오프 등의 제어 신호의 출력도 행하고 있으며, 본 발명에서의 제어 수단이 되는 것이다. 또, 로봇(1)의 동작, 반사경(11) 및 렌즈군(12)의 동작은 모두 로봇(1)의 동작 교시 시에 행해진다. 따라서, 이 로봇 제어 장치(52)는 교시된 데이터(교시 데이터라 칭함)를 기초로 로봇 동작 그 자체와 각종 제어 신호의 출력을 행한다.

가공 헤드 제어 장치(53)는 로봇 제어 장치(52)로부터의 제어 신호를 기초로 하여 레이저 가공 헤드(3) 내의 반사경(11) 및 렌즈군(12)의 동작을 제어한다.

이와 같이 구성된 레이저 용접 시스템을 이용한 용접 방법을 설명한다.

도8은 레이저 용접에서의 레이저 가공 헤드(3)와 레이저 사출 방향의 움직임을 설명하기 위한 설명도이다. 또, 여기서는 이해를 쉽게 하기 위해 매우 간단한 기본형을 예로 들어 설명한다.

본 실시 형태에서는 도8에 도시한 바와 같이 복수의 용접 점 201 내지 206이 있는 경우에, 목표로 하는 하나의 용접 점(가령 201)으로 레이저(100)를 사출 중에도, 레이저 가공 헤드(3)를 다음의 용접 점(가령 202)을 향해 소정 속도로 이동시킨다. 이때, 반사경(11)의 움직임은 레이저 가공 헤드(3)가 이동해도 현재 용접 중인 용접 점(가령 201)의 용접이 종료될 때까지, 그 용접 점(가령 201)으로부터 레이저(100)가 벗어나지 않도록 회전시키고 있다.

이때 레이저 가공 헤드(3)의 위치 이동은 로봇 자세의 변경, 즉 로봇 암(2)을 움직이게 함으로써 행하고 있다. 로봇(1)의 움직임은 로봇 제어 장치(52)에 의해 제어되고 있으며, 레이저 가공 헤드(3)의 위치가 용접 중인 용접 점으로부터 다음의 용접 점을 향해 일정 속도로 이동시키고 있다. 따라서, 도시하는 경우에는 레이저 가공 헤드(3)는 그 위치 a에서 j까지 일정한 속도로 이동한다.

여기서 레이저 가공 헤드(3)의 위치를 일정 속도로 이동시키는 것은 로봇 암의 이동에 수반하여 발생하는 로봇 암의 진동을 최대한 줄여, 레이저(100)의 초점 위치가 목표 위치(용접 점)로부터 진동에 의해 벗어나지 않도록 하기 위해서이다. 여기서는, 위치 a로부터 j까지 항상 일정 속도로 유지하도록 하였지만, 이것은 본 실시 형태의 경우, 실질적으로 어떤 용접 점의 용접이 종료된 후 다음의 용접 점으로 레이저의 방향을 바꿀 때의 비용접 시간은 거의 없으므로(상세한 것은 후술), 모든 용접이 종료될 때까지 처음부터 끝날 때까지 모든 일정 속도를 유지하도록 한 것이다. 또, 비용접 시간이 길어지는 경우에는, 그 사이 레이저 가공 헤드(3)의 위치를 이동시키는 속도를 바꾸어도 좋다.

한편, 반사경(11)은 하나의 용접 점을 용접 중에는 레이저 초점 위치(즉 포커싱 점)가 레이저 가공 헤드(3)의 이동 방향과 상대적으로 역방향이고, 또한 레이저 초점 위치의 이동 속도가 레이저 가공 헤드(3)의 이동 속도와 대략 동일해지도록 회전시키고 있다. 이때의 반사경(11)의 회전 속도를 용접 시의 소정 속도라 칭한다. 이에 의해, 레이저 가공 헤드(3)의 이동과 반대 방향으로 대략 동일한 속도로 레이저 초점 위치가 이동하게 되므로, 결과적으로 하나의 용접 점의 용접 중에는 레이저가 그 용접 점을 벗어나는 일이 없어지는 것이다. 여기서, 대략 동일한 속도로 하고 있는 것은 용접 점의 비드(bead) 형성 거리(비드의 크기)에 따라서는 하나의 용접 점에 있어서 레이저 조사 위치(초점 위치)를 이동시켜야만 하기 때문이다. 즉, 비드 형성 거리에 따라서, 그만큼 레이저 초점 위치의 이동 속도를 레 이저 가공 헤드(3)의 이동 속도보다 약간 느려지도록 하여 레이저 가공 헤드(3)의 이동 방향으로 비드가 형성되도록 조정하게 된다.

또한, 이 레이저 가공 헤드(3)의 이동 속도는 용접 속도보다 빠를 필요가 있다. 이것은 하나의 용접 점(가령 201)의 용접이 종료된 시점에서 다음의 용접 점(가령 202)에 대하여 레이저가 도달하도록 하기 위해서이다.

통상, 레이저 용접의 용접 속도는 1 내지 5 m/분이다. 이에 대하여, 레이저 가공 헤드(3)의 이동 속도(즉 로봇 암을 동작시키는 속도)는 로봇에 따라 다양하지만, 가령 최대 10 내지 20 m/분 정도이며, 또한 반사경(11)에 의한 레이저 초점 위치의 이동 속도는 초점 위치가 반사경(11)으로부터 1 m 정도의 부분에서 최대 100 m/분 정도가 가능하다. 따라서, 레이저 가공 헤드(3)의 이동 속도를 용접 속도보다 빠르게 하는 것은 충분히 가능하다.

또, 이러한 각각의 속도로부터 실제 이동 속도를 선택할 때에는 레이저 가공 헤드(3)의 진동을 억제할 수 있도록 하기 위해, 레이저 가공 헤드(3)의 이동 속도가 가능한 한 저속이 되도록, 각 속도를 선택하는 것이 바람직하다.

하나의 용접 점(가령 201)의 종료로부터, 다음의 용접 점(가령 202)으로의 레이저 초점 위치의 이동도 반사경(11)의 회전에 의해 행한다. 이때의 반사경(11)의 회전은 가능한 한 빠르게 행하는 것이 바람직하다. 이때, 레이저 출력은 정지하지 않고 그대로 출력을 계속하도록 해도 좋다. 이것은 상기와 같이, 레이저 초점 위치의 이동 속도는 용접 속도에 대해 현격한 차이로 빨라지므로, 용접 점 간의 이동 중에, 용접하지 않는 부분에 레이저가 조사되었다고 해도, 그 부분이 레이저 의 초점 위치로부터 벗어나 있거나, 초점 위치 내에 있었다고 해도 일 순간 레이저가 닿는 것만으로 거의 영향이 없어, 레이저(100)가 닿은 부분을 손상시키는 일이 없기 때문이다. 또, 필요에 따라서 레이저 제어기(51)에 오프 신호를 보내어 레이저 출력을 일시 정지하는 것도 가능하다.

이와 같이 로봇(1)에 의한 레이저 가공 헤드(3)의 이동 및 반사경(11)의 방향을 제어함으로써, 로봇 암 선단부에 설치되어 있는 레이저 가공 헤드(3)의 위치는 차례로 용접을 행하는 방향으로, 용접 점(가령 201)의 용접 개시 시에는 그 용접 점(가령 202)보다 앞에 있으며, 그 용접 점(가령 202)의 용접 종료 시에는 그 용접 점(가령 201)보다 앞에 있게(가령 위치 d) 된다.

또한, 하나의 용접 점을 용접 중에는 레이저 가공 헤드(3)를 이동시키고 있으므로, 레이저 가공 헤드(3)의 위치와 용접 점의 위치가 상대적으로 변화된다. 이로 인해 초점 거리를 레이저 가공 헤드(3)의 이동에 맞추어 조정하고 있다. 이것에는, 로봇 제어 장치(52)에 미리 교시된 교시 데이터를 기초로 하여 가공 헤드 제어 장치(53)가 경통(35)을 회전시킴으로써 렌즈군(12)을 움직이게 하여 초점 거리를 조정하고 있다. 여기서 경통(35)에는, 이미 설명한 바와 같이 초점 거리가 변화되어도 포커싱 점에서의 스폿 지름이 대략 동일한 크기가 되도록 경통(35) 내에 홈이 형성되어 있다. 이로 인해, 로봇 제어 장치(52)에는 레이저 가공 헤드(3)의 위치와 용접 점 위치의 상대적인 변화에 대응하여 초점 거리를 변화시키기 위한 교시 데이터를 입력해 두면 자동으로 모든 레이저 초점 위치(즉 포커싱 점)에 있어서 동일한 스폿 지름이 된다. 따라서, 하나의 용접 점에 있어서는 레이저 가공 헤 드와의 거리가 상대적으로 변화해도 가장 에너지 효율이 좋은 포커싱 점에서의 최소 스폿 지름으로 레이저가 조사되게 된다. 또한, 다른 용접 점끼리라도 마찬가지로 포커싱 점에서의 최소 스폿 지름으로 레이저가 조사되게 되므로, 레이저 가공 헤드(3)로부터의 거리가 다른 각 용접 점마다 레이저 조사 시간을 바꾸는 등의 조정이 불필요해진다.

도9는 이 레이저 용접에서의 제어 순서를 나타내는 흐름도이다.

우선, 로봇 제어 장치(52)는 미리 교시된 교시 데이터를 따라서 최초의 용접 개시 위치로 레이저 가공 헤드(3)를 이동시켜 정속 이동을 개시하는 동시에, 레이저 출력을 온으로 하도록 레이저 제어기(51)에 지령한다(S1). 동시에 가공 헤드 제어 장치(53)에 대해서도 용접 시의 소정 속도로 반사경(11)을 회전시키면서 초점 거리를 변경하도록 지령한다(S2).

계속해서, 로봇 제어 장치(52)는 교시 데이터를 따라서 다음 용접 점의 용접 개시 위치에 도달하였는지의 여부를 판단한다(S3). 여기서 교시 데이터에 따른 다음 용접 점의 용접 개시 위치는 그 전의 용접 점의 용접이 종료된 위치이기도 하다.

이 단계에서 다음 용접 점의 용접 개시 위치에 도달하고 있으면, 반사경(11)을 다음의 용접 점 방향으로 고속으로 회전하도록 가공 헤드 제어 장치(53)에 대해 지령한다(S4). 이에 의해 가공 헤드 제어 장치(53)가 다음의 목표가 되는 용접 점 방향으로 반사경(11)을 고속으로 회전시켜 레이저가 다음의 용접 점 방향을 향해 사출되게 된다. 이후 이 동작을 최종 용접 점의 용접 종료까지 계속하게 된다.

한편, 스텝 S3에 있어서, 다음 용접 점의 용접 개시 위치에 도달하고 있지 않으면, 모든 용접 점의 용접 종료인지의 여부를 판단한다(S5). 이 판단은 교시 데이터를 따라서 최종 용접 점의 용접이 종료됨으로써 판단된다. 여기서, 최종 용접 점의 용접 종료가 아니면, 현재 용접 중인 용접 작업 자체가 종료되고 있지 않으므로, 그대로 처리는 스텝 S3으로 복귀한다. 이에 의해 현재 용접 중인 용접이 그대로 계속되게 된다.

한편, 스텝 S5에 있어서 최종 용접 점의 용접이 종료되고 있으면, 교시 데이터를 따라서 레이저 출력을 오프하도록 레이저 제어기(51)에 지령하고, 레이저 가공 헤드를 대기 위치(또는 작업 종료 위치 등)로 복귀시켜(S6), 모든 작업을 종료한다.

이 동작을, 도8의 예를 사용하여 설명하면, 처음에 로봇 제어 장치(52)는 레이저 가공 헤드(3)를 용접 점(201)의 용접 개시 위치 a까지 이동하고, 레이저 가공 헤드(3)를 일정 속도로 이동시키면서 레이저 출력을 개시시키고, 동시에 반사경(11)을 용접 점(201)에 레이저가 조사되도록 용접 시의 소정 속도로 회전시킨다.

계속해서, 위치 a를 지나서 용접 점(202)의 용접 개시 위치 b에 도달한 시점에서[이 시점에서 용접 점(201)의 용접이 종료됨], 로봇 제어 장치(52)는 반사경(11)을 교시되어 있는 최대 속도로 회전하여 레이저 사출 방향을 용접 점(202) 방향으로 회전시킨다. 그리고 용접 점(202)의 용접을 계속하여 실행시킨다. 이후 용접 점(206)의 용접이 종료될 때까지 이들의 처리를 반복하여 용접 점(206)의 용접이 종료된 시점에서 레이저 출력을 정시시켜, 모든 용접 작업을 종료한다.

여기서, 종래의 레이저 용접과 비교한다. 도10은 종래 법에 의한 레이저 용접의 동작을 설명하기 위한 설명도이다.

종래 법에서는 레이저 가공 헤드(3)가 A의 위치에 온 시점에서 레이저 가공 헤드(3)를 정지시켜 그곳으로부터 반사경(11)에 의한 레이저 조사 가능 범위 내에 위치하는 용접 점(301, 302 및 303)에 대해 반사경(11)을 회전시킴으로써 연속적으로 용접을 행한다. 또한, 이 사이에, 레이저 가공 헤드(3)의 A의 위치와 각 용접 점(301, 302 및 303)과의 거리가 다르기 때문에, 그 상태에서 초점 거리를 변경한 것에서는 스폿 지름에 차이가 발생하므로, 각 용접 점(301, 302 및 303)마다 미묘하게 레이저 조사 시간을 조정하고 있다. 또, 특허 문헌 2에 나타낸 종래 법에 따르면 스폿 지름을 각 용접 점에서 동일하게 하는 것도 가능하다고 생각할 수 있지만, 가장 효율이 좋은 포커싱 점에서의 스폿 지름을 이용할 수 없게 되어, 레이저의 에너지 이용 효율이 나빠, 하나하나의 용접 점에서의 레이저 조사 시간이 연장되어 바람직하지 않다.

용접 점(303)의 용접 종료 후에는 레이저를 일단 정지시켜, 레이저 가공 헤드(3)를 A 위치로부터 B 위치로 이동하고, 레이저 가공 헤드(3)를 B 위치에서 정지시켜, 용접 점(304, 305 및 306)에 대해 반사경(11)을 회전시킴으로써 연속적으로 용접을 행한다. 이 사이도 마찬가지로 각 용접 점(304, 305 및 306)마다 미묘하게 레이저 조사 시간을 조정하고 있다.

도11은 전술한 도8에 의한 본 실시 형태에 의한 용접 동작과, 도10에 도시한 종래 법에 의한 용접 동작으로, 모든 용접 공정에 걸리는 시간을 비교하여 설명하 기 위한 설명도이다. (a)는 본 실시 형태의 경우이며, (b)는 종래 법의 경우이다. 또, 도시하는 각 시간은 각각에 상대적인 길이를 나타낸 것이며 실시간은 아니다.

도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 종래 법에 의한 용접을 중지하여 레이저 가공 헤드(3)를 이동시킴에 따른 용접 점 변경 시간(도면 중의「가공 헤드에 의한 용접 점 변경 시간」)이 불필요해진다. 따라서, 본 실시 형태에서는 그만큼 전 용접에 걸리는 시간을 단축할 수 있다. 또한, 레이저의 가장 효율적인 포커싱 점에서의 스폿 지름을 이용하고 있으므로 하나하나의 용접 점에서의 레이저 조사 시간도 짧아져, 전체적으로 용접 시간의 단축을 도모할 수 있다.

이로 인해 용접 점이 많아지면 많아질수록 이 시간 단축 효과는 커진다. 가령, 자동차의 자체 조립 라인에서는 수백 점에 달하는 용접 점이 존재하지만, 이들을 모두 또는 일부라도 연속적으로 용접할 때에는 큰 시간 단축 효과가 있는 것을 기대할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 실시 형태에 따르면, 로봇 암에 부착된 레이저 가공 헤드(3)를 용접 중에도 다음의 용접 점 방향을 향해 이동시키고 있으므로, 용접을 중지하여 로봇 암을 움직이게 하여 용접 점을 변경하는 시간이 불필요해지므로, 그만큼 전 용접 공정에 걸리는 시간을 단축할 수 있다. 따라서, 용접 점이 많아지면 많아질수록 이 시간 단축 효과는 커진다. 가령, 자동차의 자체 조립 라인에서는 수백 점에 달하는 용접 점이 존재하기 때문에, 이들을 모두 또는 일부라도 연속적으로 용접할 때에는 큰 시간 단축 효과가 있는 것을 기대할 수 있다.

또한, 적어도 용접 중에는 일정 속도가 되도록 로봇 암을 움직이게 하고 있 으므로, 용접 중의 로봇 암의 이동이라도 진동에 의해 레이저 초점 위치가 용접 점으로부터 벗어나는 일이 없다.

또한, 레이저 가공 헤드(3)의 이동 속도를 용접 속도보다 빠르게 함으로써, 확실하게 다음의 용접 점이 반사경(11)의 회전에 의해 용접할 수 있는 범위에 들어가도록 레이저 가공 헤드(3)를 이동시킬 수 있어, 복수의 용접 점의 연속 용접 시에 비용접 시간을 거의 없애도록 할 수 있다. 또한, 레이저 가공 헤드(3)의 위치를 이동 방향을 향해 용접 개시 시에는 목표인 용접 점보다 앞에 있으며, 용접 종료 시에는 목표인 용접점보다 앞에 있도록 함으로써, 한층 확실하게 다음의 용접 점을 반사경(11)의 회전에 의해 용접할 수 있는 범위에 들어가게 할 수 있다.

이와 같이 본 실시 형태에서는 비용접 시간을 거의 없앨 수 있으므로, 레이저 용접 시스템, 특히 레이저 발진기(5)가 아직 고가인 기존의 상황에 있어서 설비비의 회수 효율을 높일 수 있다.

또한, 하나의 레이저 발진기(5)로부터 복수의 레이저 가공 헤드(3)로 레이저를 유도하는 구성으로 한 경우라도 항상 복수의 레이저 가공 헤드(3)에 레이저를 공급할 필요로부터, 지금까지는 레이저 가공 헤드(3)에 의해 용접 위치를 변경하고 있을 때의 비용접 시간에는 레이저를 레이저 흡수재에 닿게 하여 소비시키고 있었으나, 본 실시 형태와 같이 비용접 시간을 거의 없애는 것이 가능해지므로, 이와 같은 레이저를 흡수시킴에 따른 전력의 불필요한 소비를 없앨 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태를 설명하였지만 본 발명은 이러한 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.

가령, 상술한 실시 형태에서는 3개의 렌즈에 의해 초점 거리와 함께 포커싱 점에서의 스폿 지름을 제어하고 있으나, 이것은 본 발명의 기본 구성을 설명하는 것이며, 이 외에 렌즈 수차 등을 고려하여 더욱 많은 렌즈를 도중에 혼재시키거나 하나하나의 렌즈를 복합 렌즈로 하는 등 다양한 형태가 가능하다. 또한, 도2를 참조한 구체적인 설명에서는 초점 거리가 늘어남에 따라 제1 내지 제3 렌즈(31 내지 33)의 상호 간의 거리도 늘어나는 것으로 하고 있지만, 이것도 이용하는 렌즈의 특성에 맞추어 적절하게 필요한 렌즈 간 거리가 되도록 동작시키는 것은 물론이다.

또한, 상술한 실시 형태에서는 초점 거리가 변화되어도 포커싱 점에서의 스폿 지름이 대략 동일해지는 사례를 설명하였으나, 이 대신에 초점 거리의 변화에 의존하지 않고 또한 포커싱 점에서의 스폿 지름도 변화시키는 것으로 해도 좋다.

또한, 상술한 실시 형태에서는 직선적으로 복수의 용접 점이 늘어선 기본형(도8)을 이용하여 설명하였으나, 이것은 당연히 이와 같은 직선적인 경로 이외의 다양한 동작 경로라도 본 발명을 적용할 수 있는 것이다.

본 발명은 로봇을 사용한 레이저 용접에 이용 가능하다.

본 발명의 레이저 용접 장치에 따르면, 레이저 발신기로부터 유도된 레이저를 임의의 초점 거리로, 또한 포커싱 점에서의 스폿 지름이 임의의 크기가 되도록 조정하는 광학 수단을 설치하였으므로, 레이저를 가장 효율적으로 이용할 수 있는 포커싱 점에서의 스폿 지름을 초점 거리에 의존하지 않고 변경할 수 있다.

또한, 본 발명의 레이저 용접 시스템 및 레이저 용접 방법에 따르면, 레이저 를 가장 효율적으로 이용할 수 있는 포커싱 점에서의 스폿 지름을 초점 거리에 의존하지 않고 임의로 변경할 수 있는 레이저 용접 장치를 로봇에 설치하고, 이 로봇의 자세를 제어함으로써 로봇에 부착되어 있는 레이저 용접 장치의 레이저 사출 수단의 위치를 소정 방향으로 소정 속도로 이동시키면서, 레이저가 목표 용접 점 방향으로 사출되도록 레이저 사출 수단에 의한 레이저 사출 방향을 변경하는 것으로 하였으므로, 레이저가 목표 용접 점에 조사되고 있는 동안에, 레이저 사출 수단의 위치는 다음의 용접 점 방향으로 이동하는 것이 가능해진다. 따라서, 복수의 용접 점이 있는 경우에, 다음의 용접 점이 레이저 사출 수단에 의한 레이저 사출 방향의 변경만으로는 조사 범위를 벗어나 버리는 위치에 있는 경우라도, 앞의 용접 점을 용접 중에 로봇 동작시켜 레이저 사출 수단의 위치를 다음의 용접 점을 향해 움직이게 하고 있으므로, 앞의 용접 점의 용접 종료 시점에서, 레이저 사출 수단의 위치는 다음의 용접 점으로의 레이저 용접 가능 위치에 도달할 수 있어, 다음의 레이저 사출 개시까지의 비용접 시간이 매우 짧아지게 되어 복수 용접 시의 전체적인 작업 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 용접 점으로는 레이저를 가장 효율적으로 이용할 수 있는 포커싱 점에서의 스폿 지름을 초점 거리에 의존하지 않고 임의로 변경하여 조사할 수 있으므로, 레이저의 이용 효율을 높이는 것이 가능해진다.

Claims

레이저 발신기로부터 유도된 레이저를 임의의 초점 거리로 조정하고, 더욱이 포커싱 점에서의 스폿 지름이 임의의 크기가 되도록 조정하는 광학 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서, 상기 광학 수단은,

레이저를 수렴시켜 상기 포커싱 점에 포커싱시키는 제1 렌즈와,

상기 제1 렌즈에 입사하는 레이저를 확산시키는 제2 렌즈와,

상기 레이저 발신기로부터 유도된 레이저의 확산을 방지하여 상기 제2 렌즈로 유도하는 제3 렌즈를 갖고,

상기 제1 내지 제3 렌즈의 상호 간의 거리를 변경함으로써 제1 렌즈에 입사되는 레이저의 확산 각도 및 광속 폭을 변경하는 렌즈 위치 변경 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
제2항에 있어서, 상기 레이저는 레이저 발신기로부터 광섬유에 의해 상기 제3 렌즈까지 유도되고 있는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 제1 렌즈로부터 상기 포커싱 점까지의 사이에 설치되어, 레이저의 사출 방향을 변경 가능한 레이저 사출 수단을 더 갖는 것을 특 징으로 하는 레이저 용접 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 렌즈 위치 변경 수단은 상기 포커싱 점에서의 스폿 지름이 상기 초점 거리에 상관없이 대략 동일한 크기가 되도록 상기 제1 내지 제3 렌즈의 위치를 변경하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
로봇에 부착된 제4항에 기재된 레이저 용접 장치와,

상기 레이저 용접 장치가 소정 방향으로 소정 속도로 이동하도록 상기 로봇의 자세를 제어하고, 또한 제1 용접 점의 용접 중에는 상기 제1 용접 점 방향으로 상기 레이저가 사출되도록 상기 레이저 용접 장치 내의 상기 레이저 사출 수단을 제어하는 동시에 상기 초점 거리를 변화시키면서 포커싱 점인 용접 점에서의 스폿 지름이 항상 거의 동일한 크기가 되도록 상기 레이저 용접 장치 내의 상기 광학 수단을 제어하고, 상기 제1 용접 점의 용접 종료 후에는 제2 용접 점 방향으로 상기 레이저가 사출되도록 상기 레이저 사출 수단을 제어하는 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 기기.
제6항에 있어서, 상기 소정 속도는 적어도 하나의 용접 점의 용접 중에는 일정 속도인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 기기.
제6항에 있어서, 상기 소정 속도는 하나의 용접 점을 용접하는 용접 속도보다도 빠른 것을 특징으로 하는 레이저 용접 기기.
제6항에 있어서, 상기 소정 방향은 제1 용접 점으로부터 제2 용접 점을 향하는 방향인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 기기.
제6항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 레이저 용접 장치의 위치가 상기 소정 방향을 향해 용접 개시 시에는 용접을 개시하는 용접 점보다 앞에 있으며, 용접 종료 시에는 용접을 종료한 용접 점보다 앞에 있도록 이동시키는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 기기.
로봇에 부착된 제4항에 기재된 상기 레이저 용접 장치가 소정 방향으로 소정 속도로 이동하도록 상기 로봇의 자세를 제어하고, 또한 제1 용접 점의 용접 중에는 상기 제1 용접 점 방향으로 상기 레이저가 사출되도록 상기 레이저 용접 장치 내의 상기 레이저 사출 수단을 제어하는 동시에 상기 초점 거리를 변화시키면서 포커싱 점인 용접 점에서의 스폿 지름이 항상 대략 동일한 크기가 되도록 상기 레이저 용접 장치 내의 상기 광학 수단을 제어하고, 상기 제1 용접 점의 용접 종료 후에는 제2 용접 점 방향으로 상기 레이저가 사출되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제11항에 있어서, 상기 소정 속도는 적어도 하나의 용접 점의 용접 중에는 일정 속도인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제11항에 있어서, 상기 소정 속도는 하나의 용접 점을 용접하는 용접 속도보다도 빠른 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제11항에 있어서, 상기 소정 방향은 제1 용접 점으로부터 제2 용접 점을 향한 방향인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제11항에 있어서, 상기 레이저 용접 장치의 위치는 상기 소정 방향을 향해 용접 개시 시에는 용접을 개시하는 용접 점보다 앞에 있으며, 용접 종료 시에는 용접을 종료한 용접 점보다 앞에 있도록 이동시키는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.